DE3709200A1

DE3709200A1 - Electronic component

Info

Publication number: DE3709200A1
Application number: DE19873709200
Authority: DE
Inventors: Waltraud Werdecker; Dieter Dr Brunner; Volker Reichert; Marietta Wolf
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date: 1987-03-20
Filing date: 1987-03-20
Publication date: 1988-09-29

Abstract

Electronic components are known which have an electrically insulating support body on which one or more semiconductor devices are mounted and aluminium nitride is used to dissipate the heat. In order to provide a device which avoids a complicated layer structure and ensures good cooling of the device, the support body is made entirely of a compact aluminium nitride which has, at least in part, a specified geometrical configuration at its free surface.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil mit einem elektrisch isolierenden Trägerkörper, auf dem ein oder mehrere Halbleiterbauelemente angeordnet sind, wobei zur Wärmeableitung Aluminiumnitrid eingesetzt wird.The invention relates to an electronic component with an electrical insulating carrier body on which one or more semiconductor components are arranged, aluminum nitride being used for heat dissipation.

Ein derartiges Bauteil ist aus der US-PS 42 56 792 bekannt. Gemäß dieser Schrift wird ein Kühlkörper angegeben, der aus einer Al₂O₃-Matrix besteht und der auf seiner Oberseite, auf der das elektronische Bauteil angeordnet ist, in Richtung der Unterseite verlaufende Bohrungen aufweist, die mit Nadeln aus Aluminiumnitrid gefüllt sind. Durch diese Nadeln soll die Wärmeleit fähigkeit des Kühlkörpers aus Al₂O₃ erhöht werden.Such a component is known from US-PS 42 56 792. According to this document, a heat sink is specified which consists of an Al ₂ O ₃ matrix and which has on its upper side, on which the electronic component is arranged, bores running in the direction of the lower side, which are filled with aluminum nitride needles. These needles are intended to increase the thermal conductivity of the heat sink made of Al ₂ O ₃ .

Eine der ersten Patentschriften, die allgemein die Eigenschaften von Aluminiumnitrid beschreibt, ist die US-PS 31 08 887, die auf das Jahr 1959 zurückgeht und 1963 veröffentlicht wurde.One of the first patents to generalize the properties of Describing aluminum nitride is U.S. Patent No. 31 08 887 which dates to 1959 goes back and was published in 1963.

In der DE-OS 33 37 630 wird ein Temperaturausgleichskörper aus dicht gesintertem Aluminiumnitrid beschrieben, mit einer Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 100 W/mK. Solche Körper können z. B. als Ofenblock in Thermo analysengeräten eingesetzt werden. In DE-OS 33 37 630 a temperature compensation body is made of tight sintered aluminum nitride, with a thermal conductivity of at least 100 W / mK. Such bodies can e.g. B. as an oven block in thermo analytical devices are used.

Des weiteren beschreibt die EP-AL 01 83 016 ein Halbleiterbauelement, das zur Wärmeableitung auf einer sogenannten "heat sink" angeordnet ist. Das Bauteil ist völlig in ein Gehäuse eingekapselt, wobei das den Deckel bildende Teil aus Aluminiumnitrid gefertigt sein kann. Auf der Gehäuseoberseite ist ein mit Rippen versehener Kühlkörper angeordnet.Furthermore, EP-AL 01 83 016 describes a semiconductor component which is used for Heat dissipation is arranged on a so-called "heat sink". The component is completely encapsulated in a housing, whereby the part forming the cover is made of Aluminum nitride can be made. On the top of the case is a with Ribbed heat sink arranged.

Schließlich wird in "ELECTRONIC PRODUKTION & PRÜFTECHNIK", Januar/Februar 1986, auf den Seiten 66 bis 72 das direkte Bonden von Kupfer auf Keramik beschrieben. In diesem Zusammenhang werden in einer vergleichenden Darstellung die Eigenschaften verschiedener Materialien, u. a. auch von Aluminiumnitrid, hinsichtlich der thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten beschrieben. Die Zusammenfassung dieses Artikels führt aus, daß Kupfer direkt auf Keramik bondbar ist und die Verwendung von neuen Keramiken, wie z. B. Aluminiumnitrid, in Verbindung mit der Bondtechnik weitere Verbesserungen bezüglich Stromstärke und Lastwechselfestigkeit erwarten lassen. In diesem Artikel ist weiterhin in einer Abbildung eine vergleichende Darstellung ver schiedener Bauelemente gezeigt entweder mit einem Kühlkörper aus Al₂O₃-Keramik, die beidseitig eine dicke Kupferschicht aufweist oder mit einer Schicht aus AlN, die beidseitig mit einer dünneren Kupferschicht ver bunden ist. Die Halbleiterbauelemente werden bei einem solchen Kühl- und Trägerkörper auf einer der beiden Kupferschichten über eine Lotschicht auf gebracht.Finally, in "ELECTRONIC PRODUKTION &PRÜFTECHNIK", January / February 1986, pages 66 to 72 describe the direct bonding of copper to ceramic. In this context, the properties of various materials, including aluminum nitride, are described in a comparative illustration with regard to the thermal expansion coefficients. The summary of this article states that copper is bondable directly to ceramics and the use of new ceramics such as. As aluminum nitride, in connection with the bond technology further improvements in current strength and fatigue strength can be expected. In this article, a comparative representation of various components is shown in a figure either with a heat sink made of Al ₂ O ₃ ceramic, which has a thick copper layer on both sides, or with a layer made of AlN, which is connected on both sides with a thinner copper layer. In such a heat sink and carrier body, the semiconductor components are placed on one of the two copper layers via a solder layer.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Bauelement anzugeben, das einen komplexen Schichtaufbau vermeidet und eine gute Kühlung des Bauelements gewährleistet.The present invention is based on the object of an electronic Specify component that avoids a complex layer structure and one ensures good cooling of the component.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Trägerkörper vollständig aus einem dichten Aluminiumnitrid besteht und an seiner freien Oberfläche zumindest teilweise eine definierte geometrische Formgebung aufweist. Es wird also ein Trägerkörper geschaffen, der gleichzeitig die Kühlfunktion des Bauelements übernimmt, ohne daß hierzu ein aufwendiger komplexer Schichtaufbau aus ver schiedenen Materialien für Träger- und Kühlkörper mit entsprechenden Ver bindungsschichten, etwa aus Kupfer, erforderlich ist. Unter dichtem Aluminiumnitrid ist Aluminiumnitrid mit einer Dichte von mehr als 98% seiner theoretischen Dichte zu verstehen. Durch den Einsatz von Aluminiumnitrid als Träger- und Kühlkörper werden Wärmespannungen in dem Bauteil weitgehendst vermieden, da der Wärmeausdehnungskoeffizient des Aluminiumnitrids, der im Bereich von 3,8 × 10^-6K^-1 liegt, dem des Siliziums des CHIPS (etwa 2,2 × 10^-6K^-1) angenähert ist. Die Wärmespannungen sind folglich, im Gegensatz zu einem Übergang von beispielsweise Silizium über Molybdän zu Kupfer oder Al₂O₃, wesentlich geringer mit der Folge einer größeren Zuver lässigkeit des Bauteils. Außerdem sind für den Einsatz des strukturierten Aluminiumnitrid-Kühlkörpers Fügeschichten, um beispielsweise die Verbindung von Molybdän mit Al₂O₃ zu ermöglichen, nicht erforderlich. Die direkte Ver bindung des Chips mit dem Aluminiumnitrid-Kühlkörper ermöglicht weiterhin eine sehr hohe Wärme-Ableitung auch bei großen aktiven Bauteilen, wie beispiels weise Transistoren.This object is achieved in that the carrier body consists entirely of a dense aluminum nitride and at least partially has a defined geometric shape on its free surface. So it is created a carrier body, which simultaneously takes over the cooling function of the component, without this requiring a complex complex layer structure from ver different materials for carrier and heat sink with corresponding Ver connection layers, such as copper, is required. Dense aluminum nitride means aluminum nitride with a density of more than 98% of its theoretical density. By using aluminum nitride as a carrier and heat sink, thermal stresses in the component are largely avoided, since the thermal expansion coefficient of the aluminum nitride, which is in the range of 3.8 × 10 ^-6 K ^-1 , that of the silicon of the CHIPS (about 2.2 × 10 ^-6 K ^-1 ) is approximated. In contrast to a transition from, for example, silicon to molybdenum to copper or Al ₂ O ₃ , the thermal stresses are consequently significantly lower, with the result that the component is more reliable. In addition, joining layers are not required for the use of the structured aluminum nitride heat sink, for example to enable the connection of molybdenum with Al ₂ O ₃ . The direct connection of the chip with the aluminum nitride heat sink also enables very high heat dissipation, even with large active components such as transistors.

Der Aluminiumnitrid-Kühlkörper wird bevorzugt mit Rippen strukturiert, die ein Dicken- zu Höhenverhältnis von 1 : 5 aufweisen. Die Dicke der Rippen sollte vorteilhaft im Bereich von 1 bis 3 mm und die Höhe bei 5 bis 15 mm liegen, bei einem Abstand benachbarter Rippen von 0,5 bis 1 mm. Besonders gut bewährt hat sich eine Dicke der Rippen von 1 mm, bei einer Rippenhöhe von 8 mm. Die Rippen können sich von einer sogenannten Basisplatte erstrecken, die bevorzugt in einer Dicke von 0,5 bis 2 mm ausgeführt ist.The aluminum nitride heat sink is preferably structured with ribs that one Have a thickness to height ratio of 1: 5. The thickness of the ribs should be advantageous in the range of 1 to 3 mm and the height is 5 to 15 mm a distance of adjacent ribs of 0.5 to 1 mm. Has proven particularly good the thickness of the ribs is 1 mm, with a rib height of 8 mm. Ribs can extend from a so-called base plate, which is preferably in a thickness of 0.5 to 2 mm.

Solche Träger- bzw. Kühlkörper können als Strangpreß- oder Spritzgußteil gefertigt werden, wobei die Herstellung als Strangpreßteil bei einfachen Rippen-Geometrien ein äußerst rationelles Verfahren liefert. Such carrier or heat sink can be extruded or injection molded are manufactured, the production as an extrusion with simple Rib geometry provides an extremely efficient process.

Der Kühl- und Trägerkörper aus Aluminiumnitrid ist dazu geeignet, daß darauf direkt ein elektronisches Bauteil aufgebaut wird. Hierzu ist von Vorteil, daß auf den Aluminiumnitrid-Körper zunächst eine dünne Metallschicht, bevorzugt aus Wolfram, aufgebracht wird. Die Wolframschicht wird ihrerseits mit einer Lötschicht aus Nickel versehen, um die Halbleiterbauelemente aufzubringen.The cooling and support body made of aluminum nitride is suitable for that an electronic component is built directly. The advantage of this is that first a thin metal layer on the aluminum nitride body, preferably made of tungsten. The tungsten layer is in turn with a Provide a nickel solder layer to apply the semiconductor components.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigtFurther details and features of the invention result from the following description of an embodiment with reference to the drawing. In the Drawing shows

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Bauelements, Fig. 1 is a schematic representation of the structure of a component,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Bauteils mit Sicht auf die Rippenstruktur. Fig. 2 is a perspective view of another component with a view of the rib structure.

Die Bauelemente nach den beiden Figuren zeigen einen Träger- und Kühlkörper 1 aus Aluminiumnitrid der eine Vielzahl von parallel und mit Abstand zueinander verlaufenden Rippen 3 beinhaltet. Diese Rippen 3 weisen eine Höhe 4 von 8 mm bei einer Rippen-Dicke 5 von 0,5 mm auf. Der Abstand 6 der einzelnen parallel zueinander verlaufenden Rippen 3 beträgt ebenfalls 0,5 mm. In der gezeigten Ausführungsform ist die Basis in einer Dicke 7 von 1 mm ausgeführt.The components according to the two figures show a carrier and heat sink 1 made of aluminum nitride which contains a plurality of ribs 3 running parallel and at a distance from one another. These ribs 3 have a height 4 of 8 mm with a rib thickness 5 of 0.5 mm. The distance 6 between the individual ribs 3 running parallel to one another is also 0.5 mm. In the embodiment shown, the base has a thickness 7 of 1 mm.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist auf den Kühlkörper 1 aus Aluminiumnitrid ein Halbleiterbauelement 12 angeordnet, indem zunächst auf den Kühlkörper 1 eine Metall- 2 bzw. Lötschicht 9 aufgebracht ist, an der eine Anode 10 be festigt sowie über eine Metall- 2 und Weichlotschicht 9 ein Siliziumplättchen 12 angeordnet ist. Auf der Oberseite des Siliziumplättchens 12 sind Gate 13 und Kathode 14, letztere über eine Nickel/Eisen-Schicht 11 befestigt. Mit den weiteren schraffierten Flächen 15 sind Weichlotschichten angedeutet.As can be seen from FIG. 1, a semiconductor component 12 is arranged on the heat sink 1 made of aluminum nitride, by first applying a metal 2 or solder layer 9 to the heat sink 1 , to which an anode 10 is fastened and via a metal 2 and soft solder layer 9, a silicon wafer 12 is arranged. Gate 13 and cathode 14 , the latter via a nickel / iron layer 11, are attached to the top of the silicon wafer 12 . Soft solder layers are indicated with the further hatched areas 15 .

In Fig. 2 ist das mit dem Kühlkörper 1 verbundene Halbleiterbauelement durch die obere Schicht 16 angedeutet, während die dazwischenliegende Metallschicht entsprechend Fig. 1 mit 9 bezeichnet ist.In FIG. 2 the semiconductor component connected to the heat sink 1 is indicated by the upper layer 16 , while the intermediate metal layer is designated by 9 in accordance with FIG. 1.

Claims

1. Elektronisches Bauteil mit einem elektrisch isolierenden Trägerkörper, auf dem ein oder mehrere Halbleiterbauelemente angeordnet sind, wobei zur Wärmeableitung Aluminiumnitrid eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (1) vollständig aus einem dichten Aluminiumnitrid besteht und an seiner freien Oberfläche zumindest teilweise eine definierte geometrische Formgebung aufweist.1. Electronic component with an electrically insulating carrier body on which one or more semiconductor components are arranged, aluminum nitride being used for heat dissipation, characterized in that the carrier body ( 1 ) consists entirely of a dense aluminum nitride and at least partially a defined one on its free surface has geometric shape.

2. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem oder den Halbleiterbauelementen (8) und dem Trägerkörper (1) eine Weichlotschicht (9) und eine Metallschicht (2) angeordnet ist.2. Electronic component according to claim 1, characterized in that a soft solder layer ( 9 ) and a metal layer ( 2 ) is arranged between the semiconductor component or components ( 8 ) and the carrier body ( 1 ).

3. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (9) eine Schicht aus Wolfram ist.3. Electronic component according to claim 1 or 2, characterized in that the metal layer ( 9 ) is a layer of tungsten.

4. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Wolfram-Schicht und dem oder den Halbleiterbauelementen (12) eine Lötschicht aus Nickel angeordnet ist. 4. Electronic component according to claim 3, characterized in that a solder layer made of nickel is arranged between the tungsten layer and the one or more semiconductor components ( 12 ).

5. Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (1) ein Strangpreßteil ist.5. Electronic component according to one of claims 1 to 4, characterized in that the carrier body ( 1 ) is an extruded part.

6. Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (1) ein Spritzgußteil ist.6. Electronic component according to one of claims 1 to 5, characterized in that the carrier body ( 1 ) is an injection molded part.

7. Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (1) an seiner Oberfläche Rippen (3) aufweist.7. Electronic component according to one of claims 1 to 6, characterized in that the carrier body ( 1 ) has ribs ( 3 ) on its surface.

8. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (3) ein Dicken- zu Höhenverhältnis von 1 : 5 aufweisen.8. Electronic component according to claim 7, characterized in that the ribs ( 3 ) have a thickness to height ratio of 1: 5.

9. Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (3) eine Dicke (5) von 1 bis 3 mm aufweisen.9. Electronic component according to one of claims 7 or 8, characterized in that the ribs ( 3 ) have a thickness ( 5 ) of 1 to 3 mm.

10. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (5) der Rippen (3) etwa 1 mm beträgt.10. Electronic component according to claim 9, characterized in that the thickness ( 5 ) of the ribs ( 3 ) is approximately 1 mm.

11. Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (3) eine Höhe (4) von 5 bis 15 mm aufweisen.11. Electronic component according to one of claims 7 to 10, characterized in that the ribs ( 3 ) have a height ( 4 ) of 5 to 15 mm.

12. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen-Höhe (4) etwa 8 mm beträgt.12. Electronic component according to claim 11, characterized in that the rib height ( 4 ) is approximately 8 mm.

13. Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (6) benachbarter Rippen (3) 0,5 bis 1 mm beträgt.13. Electronic component according to one of claims 7 to 12, characterized in that the distance ( 6 ) between adjacent ribs ( 3 ) is 0.5 to 1 mm.

14. Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (1) eine Basisplatte (2), die eine Dicke (7) von 0,5 bis 2 mm aufweist, besitzt, von der die Rippen (3) abstehen.14. Electronic component according to one of claims 7 to 13, characterized in that the carrier body ( 1 ) has a base plate ( 2 ) which has a thickness ( 7 ) of 0.5 to 2 mm, of which the ribs ( 3rd ) stick out.